炉温控制系统报告(1)

基于单片机的水温控制系统目录摘要……………………………………………………3第一章前言…………………………………………31.1课题背景和意义…………………………………………31.2设计内容概述………………………………………………31.3报告概述……………………………………………………5第二章课题设计要求2.1课题要求……………………………………………………62.2原件清单……………………………………………………6第三章系统方案设计…………………………………73.1系统的设计要求…………………………………………73.2系统的控制部分…………………………………………73.3系统的控制方式…………………………………………7第四章系统硬件电路设计…………………………84.1STC12C5A60S2最小系统……………………………………84.2DS18B20传感器电路………………………………………94.3矩阵键盘…………………………………………………10错误!文档中没有指定样式的文字。错误!文档中没有指定样式的文字。4.4数码管显示模块…………………………………………114.5蜂鸣器报警电路…………………………………………12第五章系统测试方法和结果…………………………13第六章总结……………………………………………13附录A系统程序代码错误!文档中没有指定样式的文字。错误!文档中没有指定样式的文字。【摘要】温度是工业控制对象主要的参数之一，如何准备而稳定的控制恒温在一些领域是十分重要的，由于受到被控对象的特性的影响，使得控制系统难以被控制，因而设计一个高性能的温度控制系统是非常有价值的。本系统采用STC89C52单片机为控制单元，以PID控制算法为控制方法并用LABVIEW设计上位机实时监测温度。硬件电路包括矩阵键盘、1602液晶显示、蜂鸣器报警电路等。该系统经过试验证明可以准确控制水温，误差在+-1℃，并可设计所需的恒温。【关键字】单片机STC89C52、PID、恒温第一章前言1.1课题背景和意义在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、流量和流速都是常用的主要控制参数。例如在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、锅炉进行恒温控制。采用单片机进行控制有控制方便、灵活性强、电路简单等诸多优点。目前温度控制系统在各行各业虽然已经应用的相当广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体水平仍然不高。成熟产品主要以PID控制器为主，随着嵌入式技术的快速发展及在各行各业的广泛应用，人们对电子产品小型化和智能化的要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、应用范围广和控制的灵活性等诸多优势得到越来越广泛的应用。1.2设计内容概述本次计算机控制课程设计是应用计算机的实时监控和温度测量技术，采用单片机、温度检测电路、温度控制电路等，实现电阻炉炉温的实时监控。本次设计使用的STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。错误!文档中没有指定样式的文字。错误!文档中没有指定样式的文字。本系列单片机有丰富的内部资源，极大地扩展了8051系列单片机的用途：1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；2.工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V-2.2V（3V单片机）；3.工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz；4.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节；5.片上集成1280字节RAM；6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55Ma；7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)；9.看门狗；10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%；12.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内)1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz～15.5MHz，3.3V单片机为：8MHz～12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；13.共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；14.2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1错误!文档中没有指定样式的文字。错误!文档中没有指定样式的文字。输出时钟；15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2),CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)；16.PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）：——也可用来当2路D/A使用——也可用来再实现2个定时器——也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)；17.A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)18.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；19.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)；20.工作温度范围：-40-+85℃(工业级)/0-75℃(商业级)21.封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口或用双CPU,三线通信，还多了串口。1.3报告概述这份技术报告中，详尽地介绍了本系统的整体结构、硬件电路、软件控制算法、调试方法等，并附有单片机程序和详细的操作方法。本文主要介绍基于STC12C5A60S2单片机的炉温控制设计流程，介绍了炉温控制方案以及各个主要模块的工作原理和设计思路。本文并涉及温度传感器系统、继电器系统、显示系统、输入系统的设计。由于系统的复杂性和硬件使用要求以及人力、时间等方面的制约，考虑到系统的实时性和运算能力，系统并没有采用复杂的处理算法和控制算法，一切以实用为主。对于温度控制算法还有待进一步的研究和改进。同时，在电路保护方面的设计有待进错误!文档中没有指定样式的文字。错误!文档中没有指定样式的文字。一步地学习和实践。第二章课题设计要求2.1课题要求用单片机及相应的组成部件组成电阻炉温的自动控制系统，要求测温范围0～100℃，使其控制系统控制的温度保温值的变化范围为30～60℃。要求：（1）完成电阻炉温度控制系统设计，包括硬件电路设计和软件程序设计；（2）能够显示控温时的实际炉温和恒温时间；（3）对其主电路和控制电路设计相应的保护电路，使其安全可靠地工作。2.2元器件清单元件名称数量电热杯1个SL－1型51单片机综合试验箱1个DS18B20温度传感器1片STC12C5A60S2单片机1片USB下载线1条单线固态继电器1个导线若干另有剪刀、镊子等工具表2.1元器件表错误!文档中没有指定样式的文字。错误!文档中没有指定样式的文字。7第三章系统方案设计3.1系统的设计要求应用计算机的实时监控和温度测量技术，采用单片机、温度检测电路、温度控制电路等，实现电阻炉炉温的实时监控。要求及技术指标：用单片机及相应的组成部件组成电阻炉温的自动控制系统，要求测温范围0～100℃，使其控制系统控制的温度保温值的变化范围为30～60℃要求：(1)完成电阻炉温度控制系统设计，包括硬件电路设计和软件程序设计(2)能够显示控温时的实际炉温和恒温时间(3)对其主电路和控制电路设计相应的保护电路，使其安全可靠地工作3.2系统的控制部分水温控制系统以STC12C5A60S2单片机为核心，其总体的结构图：单片机通过温度传感器DS18B20采集环境温度，根据矩阵键盘输入的恒温温度控制继电器的通断，并用LED数码管显示恒温温度和实时温度，如果实时温度超过恒温温度，蜂鸣器将会报警。3.3系统的控制方式STC12C5A60S2单片机DS18B20矩阵键盘LED显示蜂鸣器继电器错误!文档中没有指定样式的文字。错误!文档中没有指定样式的文字。8本系统采用PID控制算法实现对温度的闭环控制比例，积分，微分（PID）是建立在经典控制理论基础上的一种控制策略。PID控制器作为最早实用化的控制器，已经有五十多年的历史，现在仍然是最广泛的工业控制器。PID控制器最大的特点是简单易懂，使用中不需要精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最广泛的控制器。本系统采用了数字PIDokjkkDjIkPkueeKeKeKu])(01比例积分微分被控对象r(t)++-e(t)++u(t)y(t)式中：k——采样信号，k=0,1,2,…uk——第k次采样时刻的计算机输出值ek——第k次采样时刻输入的偏差值ek−1——第k-1次采样时刻输入的偏差值KI——积分系数（积分时间TI即为累积多少次/个T）KD——微分系数u0——开始进行PID控制时的原始初值（应为前一次的给定值）如果采样周期取得足够小，则以上近似计算可获得足够精确的结果，离散控制过程与连续控制过程十分接近。第四章系统硬件电路设计4.1STC12C5A60S2最小系统错误!文档中没有指定样式的文字。错误!文档中没有指定样式的文字。94.2DS18B20传感器电路单线结构，只需一根信号线和CPU相连，不需要外部元件，直接输出串行数据，可不需要外部电源，直接通过信号线供电，电源电压范围为3.3V～5V，测温精度高，测温范围为：一55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±O.5℃，测温分辨率高，当选用12位转换位数时，温度分辨率可达0．0625℃，数字量的转换精度及转换时间可通过简单的编程来控制：9位精度的转换时间为93．75ms：10位精度的转换时间187.5ms：12位精度的转换时间750ms，具有非易失性上、下限报警设定的功能，用户可方便地通过编程修改上、下限的数值，可通过报警搜索命令识别哪片DS18820采集的温度超越上、下限。错误!文档中没有指定样式的文字。错误!文档中没有指定样式的文字。104.3矩阵键盘矩阵键盘共有十六个键，用了其中的十二个键0-9、A、B键，按A键表示设置开始，然后按数字键输入恒温温度，最后按B键确定，此矩阵键盘运用了反转法错误!文档中没有指定样式的文字。错误!文档中没有指定样式的文字。114.4数码管显示模块数码管的显示原理不论是共阴还是共阳，其基